一種直接碳燃料電池的微米碳流體氣相造泡裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及直接碳燃料電池制備領域，具體涉及一種直接碳燃料電池的微米碳流體氣相造泡裝置。
【背景技術】
[0002]隨著我國國民經(jīng)濟的持續(xù)、快速發(fā)展，能源的潔凈高效利用逐漸成為非常緊迫的問題。傳統(tǒng)的能源利用方式是首先將燃料的化學能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，然后再轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能和電能，由于受卡諾循環(huán)及材料的限制，發(fā)電效率只有30%左右，且在發(fā)電過程中產(chǎn)生了嚴重的廢水、廢氣、廢渣、廢熱和噪聲污染。燃料電池是將燃料和氧化劑中的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，它不受卡諾循環(huán)的限制，發(fā)電效率可達50% -70% ;與傳統(tǒng)的火電機組相比:N0X和302的排放量較少，0)2的排放量可減少40% -60%，噪聲低；可以進行模塊化設計；變負荷率高；既可以分散供電亦可以集中供電；占地面積小。因此，燃料電池稱為水電、火電和核電后的第四代發(fā)電裝置。
[0003]通過開發(fā)出發(fā)電效率高、設備易放大、運行穩(wěn)定和維護簡單的直接碳燃料電池DCFC，能夠提升煤炭的能源價值，包括提高發(fā)電效率，低熱值煤的低成本發(fā)電和清潔環(huán)保發(fā)電，最終發(fā)展出基于DCFC的高效、清潔和空間節(jié)約的新型能源技術，具有重大的戰(zhàn)略意義。
[0004]碳燃料電池的綜合性能取決于反應裝置輸出的功率密度和電流密度，而功率密度又由傳熱效率和碳的直接電化學反應過程所決定，傳統(tǒng)的碳燃料電池反應裝置采用的均是傳統(tǒng)的固定床反應器，其結構形式簡單，流動影響因素少，便于控制碳反應過程的速率，但是不利于提高傳熱效率和碳的直接電化學反應過程。通過在DCFC中的陽極和陰極采用傳熱、傳質(zhì)效果好的流化床反應器，不僅可以保證流化床DCFC的優(yōu)點，而且可以將碳的直接電化學反應界面從二維拓展到三維，能夠進一步提高碳的直接電化學反應過程。
[0005]日本東京大學Y.MatSuno針對MCFC中電極面積相對較小、氣體傳輸效率較低及結構復雜等缺點，使用流化床電極代替MCFC中多孔氣體擴散電極，設計出流化床電極燃料電池陽極，陽極半電池主要由陶瓷管、鎳電極顆粒、集流器、對電極、參比電極、布風板構成。Y.Matsuno在此裝置上研究了反應溫度、燃料成分、氣體流速、集流器面積等對半電池的極化性能的影響，發(fā)現(xiàn):提高反應溫度可以增加電流密度；燃料中氫氣含量越高，半電池電流密度越大；實驗范圍內(nèi)，半電池的極限電流密度隨氣速的增大而增加，然而氣速的增大會增加電池的內(nèi)阻(顆粒相和電解質(zhì)相)，從而增加了歐姆極化。
[0006]Gur將流化床電極與固體氧化物DCFC相結合，形成了流化床電極直接碳燃料電池，電池采用He作為介質(zhì)來實現(xiàn)碳顆粒的流態(tài)化，以促進其與陽極集流器接觸，從而降低了電池的濃差極化。并對不同規(guī)模該類型電池的進行了測試，小型裝置的輸出功率密度很低，尚不足2mW/cm2。
[0007]清華大學史翊翔在專利201110217478.6中提出了一種流化床電極直接碳燃料電池裝置，該實用新型在固體氧化物直接碳燃料電池基礎上，向固體碳燃料中添加導體催化劑，使得碳的直接化學反應從二維拓展為三維，促進碳的氣化反應，從而提高電池性能，進一步增強了電極內(nèi)的傳熱和傳質(zhì)。該實用新型基于固體氧化物碳燃料電池，電解質(zhì)采用了熔融碳酸鹽，電子傳導率會受到溫度的制約，其次是陰極混合氣體中C02的摻入也會引起B(yǎng)oudouard 反應。
[0008]燃料電池能源系統(tǒng)內(nèi)部的關鍵在于電化學反應的進行。電化學反應的速度決定電源的功率輸出。電化學反應是個表面過程，反應物之間在電極表面的有效充分接觸是反應進行的保證。在DCFC中，陽極反應是個三相“固-液-固”過程，固體燃料-電解質(zhì)-電極直接的接程度控制了反應的速率。上述文獻中的流化床反應器普遍存在無法有效平衡固相停留時間與反應速率，層流層內(nèi)層過多，無法高效提升傳質(zhì)速度。
【實用新型內(nèi)容】
[0009]針對以上現(xiàn)有技術中存在的問題，本實用新型提供一種直接碳燃料電池的微米碳流體氣相造泡裝置，在流化床裝置中減小燃料顆粒，并進行氣相造泡，能夠更大程度地提高三相反應界面，提升傳質(zhì)速度。
[0010]本實用新型的目的在于提供一種直接碳燃料電池的微米碳流體氣相造泡裝置。
[0011]本實用新型的直接碳燃料電池的微米碳流體氣相造泡裝置包括:反應裝置、陽極板倉、陰極板倉、陽極、陰極、陽極集流板、陰極集流板、微孔隔板、流化床陽極管道、流化床陰極管道、陽極氣體循環(huán)裝置、陰極氣體循環(huán)裝置、電解質(zhì)、碳燃料和布風板；其中，在反應裝置內(nèi)盛放電解質(zhì)；筒狀的陽極板倉和陰極板倉分別設置在反應裝置的底部；陽極和陰極分別放置在陽極板倉和陰極板倉內(nèi)；具有孔洞的陽極集流板和陰極集流板分別從反應裝置的頂部穿入并伸入到陽極板倉和陰極板倉中，陽極集流板和陰極集流板分別連接至電流表；在陽極板倉和陰極板倉之間設置微孔隔板；在反應裝置的底部并位于陽極板倉內(nèi)設置陽極進氣口，在反應裝置的頂部并與陽極進氣口相對的位置設置陽極出氣口，流化床陽極管道的兩端分別連接陽極進氣口和陽極出氣口 ；在流化床陽極管道上設置陽極氣體循環(huán)裝置；陽極進氣口、陽極出氣口、流化床陽極管道和陽極氣體循環(huán)裝置構成陽極流化床裝置，陽極流化床裝置中通有陽極流化氣體；在反應裝置的底部并位于陰極板倉內(nèi)設置陰極進氣口，在反應裝置的頂部并與陰極進氣口相對的位置設置陰極出氣口，流化床陰極管道的兩端分別連接陰極進氣口和陰極出氣口 ；在流化床陰極管道上設置陰極氣體循環(huán)裝置；陰極進氣口、陰極出氣口、流化床陰極管道和陰極氣體循環(huán)裝置構成陰極流化床裝置，陰極流化床裝置中通有陰極流化氣體；在陽極板倉內(nèi)放置的碳燃料為碳顆粒；在陽極進氣口處設置布風板；碳與氧氣反應產(chǎn)生的二氧化碳氣體在陽極氣體循環(huán)裝置和布風板的作用下，產(chǎn)生氣泡，氣泡的表面張力弓I起碳顆粒聚集在氣泡的表面。
[0012]固體的碳燃料作為陽極，發(fā)生氧化反應，釋放電子；氧氣在陰極發(fā)生還原反應，獲得電子；電子從陽極到陰極的轉(zhuǎn)移為外界提供電能，二氧化碳作為唯一的反應產(chǎn)物釋放出來?；瘜W反應式如下:
[0013]陽極反應:C+40H= CO 2+2H20+4e
[0014]陰極反應:02+2H20+4e-= 40H
[0015]總反應式:C+02=CO 2
[0016]流化床裝置是采用了流化氣體的循環(huán)裝置，在工作時，采用外部加熱的方式保持電解質(zhì)的工作溫度在500°C?650°C之間，通過布風板向陽極進氣口通入陽極流化氣體，使得陽極板倉中的碳燃料處于流化狀態(tài)，陽極流化氣體通過陽極出氣口排出，經(jīng)過陽極氣體循環(huán)裝置之后再次注入陽極進氣口 ；碳與氧氣反應產(chǎn)生的二氧化碳氣體在陽極氣體循環(huán)裝置和布風板的作用下，產(chǎn)生氣泡，氣泡的表面張力引起碳顆粒高濃度分布在氣泡的表面，陽極流化氣體作用下碳顆粒形成微米流體，附著在二氧化碳的氣泡表面，并且在電解質(zhì)中不斷地流動，當與陽極接觸時，氣泡破碎，碳顆粒與陽極反應。
[0017]布風板包括:氣體入口、分布板和布風管道，其中，分布板的兩個表面分別安裝氣體入口和布風管道，陽極流化氣體從氣體入口進入，經(jīng)分布板后，從布風管道流出；分布板為具有開孔陣列的平板，總體設計為具有直孔式均勻多孔分布板的布風板，采用板厚為6?12_的碳鋼整體塑形而成，具有流化性好、阻力適中等特點。
[0018]碳燃料被加工成400?650目的碳顆粒，即每個碳顆粒的直徑在21?38um之間。
[0019]電解質(zhì)采用Na0H、K0H和NaC03的復配方溶液，或者Na0H、K0H和K2CO3的復配方溶液，通過在NaOH為主的電解質(zhì)添加KOH、Na2CO3S K 2C03材料，改變電解質(zhì)的組成，優(yōu)化電解質(zhì)的物理性能，降低電解質(zhì)瑞流流速，節(jié)約能源提尚發(fā)電效率；增加電解質(zhì)活性，提尚電池功率密度。復配方溶液中NaOH、KOH和NaC03的摩爾比例分別為50 %、30 %和20 %，NaOH,KOH和K2CO3的摩爾比例分別為50%、30%和20%。
[0020]陽極氣體循環(huán)裝置或陰極氣體循環(huán)裝置采用自吸式氣液反應器，不用額外的氣體輸送機械而能自行吸入反應器上部空間氣體進行氣液接觸，通過空心渦輪攪拌器在料液混合的同時不斷吸入液面上的反應氣體，達到氣液循環(huán)與分散目的。
[0021]陽極流化床裝置中通有陽極流化氣體，陽極流化氣體采用摻雜碳燃料的C02、N2,H2O和惰性氣體中的一種或多種，其中惰性氣體為氦、氖、氬、氪和氙中的一種或多種。陰極流化床裝置中通有陰極流化氣體，陰極流化氣體為氧氣和水汽的混合氣體，或者空氣和水汽的混合氣體。
[0022]微孔隔板采用鎳或鎳鉻合金。
[0023]碳燃料采用石墨、炭黑、焦炭和煤中的一種或多種。
[0024]陰極采用鎳鑭復合材料陰極，包括兩種材料，第一種材料為鎳，第二種材料為鑭系金屬或氧化鑭La2O3;鑭系金屬采用鑭、鋪、鐠、釹、钷、釤、銪、IL、鋪、鏑、鈥、鉺、鎊、鐿和镥中的一種；其中，第一種材料鎳的摩爾百分含量占85?93%，第二種材料的摩爾百分含量占7?15%。陰極中鑭提高了陰極的氧吸附離解能力和還原催化活性，并提高了陰極氧離子的電導率，增加了電極反應三相界面。
[0025]本實用新型的直接碳燃料電池的微米碳流體氣相造泡方法，包括以下步驟:
[0026]I)將流化床陽極管道的兩端分別連接位于反應裝置底部的陽極進氣口和位于反應裝置的頂部陽極出氣口，在流化床陽極管道上設置陽極氣體循環(huán)裝置，構成陽極流化床裝置，并通有陽極流化氣體，將碳燃料微米流體加工成碳顆粒，放置在陽極板倉內(nèi)；將流化床陰極管道的兩端分別連接位于反應裝置的底部的陰極進氣口和位于反應裝置的頂部陰極出氣口，在流化床陰極管道上設置陰極氣體循環(huán)裝置，構成陰極流化床裝置，并通有陰極流化氣體；
[0027]2)對反應裝置進行加熱，使反應裝置內(nèi)的電解質(zhì)保持在500°C?650°C之間的工作溫度；
[0028]3)通過陰極氣體循環(huán)裝置控制陰極流化氣體進入陰極板倉的速度，使得陰極流化氣體在陰極板倉內(nèi)湍流流動，同時通過陽極氣體循環(huán)裝置控制陽極流化氣體進入陽極板倉的流速，使得陽極流化氣體在陽極板倉內(nèi)湍流